Estudio comparativo entre un sistema combinado de biofiltración y un sistema del tipo tradicional como alternativa al tratamiento de aguas residuales para viviendas rurales en Colombia

1. INFORMACIÓN GENERAL DE LA PROPUESTA DE TRABAJO DE GRADO PROYECTO APLICADO (SE EXCLUYE PROYECTO EMPRENDIMIENTO EMPRESARIAL)

Fecha:

Título de la propuesta:

Estudio comparativo entre un sistema combinado de biofiltración y un sistema del tipo tradicional como alternativa al  tratamiento de aguas residuales para viviendas rurales en Colombia

INTEGRANTES DE LA PROPUESTA DE INVESTIGACIÓN (MÀXIMO 3 ESTUDIANTES)

1. DATOS ESPECÍFICOS DEL PROYECTO

Duración del proyecto (meses)

3

Línea de Investigación de escuela o Línea de profundización del programa

Biotecnología

Escuela

Escuela de ciencias agrícolas, pecuarias y del medio ambiente

Descriptores palabras claves

Tratamiento, aguas residuales domésticas, rural, biofiltro, humedal artificial

1. RESUMEN

En las áreas rurales del país la gestión del recurso hídrico depende en gran medida de la apropiación de las comunidades en la administración y en el uso eficiente de este recurso. En el país menos del 5% de las viviendas ubicadas en las zonas rurales cuentan con un sistema de tratamiento de aguas residuales (MAVDT, 2004). Estas viviendas no cuentan con un sistema para el tratamiento de aguas residuales y éstas son descargadas a los cuerpos receptores sin tratamiento previo o son descargadas al terreno aledaño, produciendo la contaminación de las aguas subterráneas. Los sistemas de tratamiento convencionales requieren de gran inversión para su implementación, mantenimiento y operación, difícilmente costeables para las comunidades pequeñas. Debido a esto, son indispensables los sistemas de tratamiento con bajo costo, tanto en inversión como en su operación y mantenimiento. En la actualidad se han desarrollado sistemas como los biofiltros y los humedales artificiales estos son sistemas viables para el tratamiento de las aguas residuales por su bajo costo, operación simple y mínimo mantenimiento. La implementación de estos sistemas deriva en altas eficiencias de remoción de los contaminantes típicamente presentes en ellas. El presente estudio tiene como objetivo realizar un estudio comparativo entre un sistema combinado de biofiltración y un sistema del tipo tradicional que permita obtener una alternativa sostenible al tratamiento de aguas residuales en áreas rurales del país.

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Las zonas rurales del país son poblaciones vulnerables que no tienen la misma atención por parte de las entidades estatales en comparación a las zonas urbanas. Inversión social casi nula, servicios básicos deficientes o inexistentes y la precaria infraestructura de acueducto y alcantarillado, han originado problemas de sanidad y contaminación. Las viviendas unifamiliares rurales no cuentan con un sistema de acueducto y alcantarillado que permita la correcta disposición de las aguas residuales generadas en sus actividades diarias.

La falta de recursos e inversión para el tratamiento de agua residual que presentan estas áreas no permite la construcción e implementación de un sistema convencional de tratamiento ya que estos presentan un elevado costo de construcción, operación y mantenimiento, esto sumado a que la mayoría de viviendas están muy alejadas una de las otras, dificultarían la operación de estas plantas.

El servimiento sin tratamiento previo de estas aguas deteriora la calidad de la fuente receptora, contaminando y afectando el suelo y el recurso hídrico generando problemas de salubridad y de contaminación ambiental. Como medida sostenible para el tratamiento de agua residual en viviendas unifamiliares ubicadas en áreas rurales, un sistema combinado de biotratamiento se convierte en un recurso factible y una solución práctica y real para el territorio colombiano usado en la depuración de contaminantes, evaluando las condiciones necesarias para su aplicación.

1. JUSTIFICACIÓN

En la actualidad el estado ha buscado aumentar la cobertura en servicios de acueducto, alcantarillado y saneamiento básico, pero a pesar de estos esfuerzos muchas comunidades siguen sin contar con estos servicios y no se vislumbra una solución a corto y mediano plazo. Por lo tanto, las aguas residuales que se generan en estas comunidades no son dispuestas en una red de alcantarillado que las conduzca a una planta de tratamiento de aguas residuales y, por ende, carecen del tratamiento adecuado. La construcción e implementación de un sistema convencional de tratamiento para estas aguas es un desafío enorme para estas comunidades, debido a esto es de vital importancia la búsqueda de sistemas que se adapten al contexto socioeconómico de estas poblaciones.

Por lo anteriormente expuesto, se convierte en una necesidad desarrollar un sistema de tratamiento de bajo costo y mínima operación y mantenimiento a un nivel unifamiliar o para un grupo mínimo de viviendas que garantice una calidad del efluente que permita la reutilización de las aguas residuales tratadas en el riego de cultivos o en otros usos similares. Gran parte de los sistemas de tratamiento de aguas residuales domésticas para sistemas unifamiliares de tipo convencional están cimentados en fosas o tanques sépticos, estos generan impactos como malos olores, proliferación de vectores y no se logra una completa mineralización de la materia orgánica. El efluente de estos sistemas contiene concentraciones considerables de materia orgánica, por lo que es necesario complementar el tratamiento; es decir, sólo funcionan como un pretratamiento (Crites  Tchobanoglous, 2004).

1. OBJETIVO GENERAL

Realizar un estudio comparativo entre un sistema combinado de biofiltración y un sistema del tipo tradicional como alternativa al  tratamiento de aguas residuales para viviendas rurales en Colombia.

1. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Comparar un sistema combinado de biofiltración y un sistema tradicional usado en el tratamiento de aguas residuales.
• Proponer una alternativa sostenible para el tratamiento de aguas residuales en áreas rurales del país.
• Diseñar un biofiltro combinado que se usará como alternativa en el tratamiento de las aguas residuales generadas en las viviendas rurales.
• Analizar los impactos que tendrá el biofiltro combinado en el proceso de depuración de agua residual.
• Evaluar los posibles beneficios del sistema combinado al ser implementado en el tratamiento de aguas residuales en el territorio rural colombiano.

1. MARCO CONCEPTUAL Y TEÓRICO

1. Marco teórico

El tratamiento de las aguas residuales consiste en la aplicación de unas operaciones básicas (físicas, químicas o biológicas) cuya elección y secuencia vienen definidas por el tipo de proceso que las produce. Para el tratamiento de estas aguas se han desarrollado una serie de procesos convencionales, con un alto costo de implementación, operación y mantenimiento, por esto en los últimos tiempos han surgido tratamiento alternativos de fácil aplicación como lo es la biofiltación combinada. Sistema fácilmente aplicable a poblaciones alejadas y de condiciones difíciles para la implementación de los sistemas convencionales.

Un sistema de biofitlración combinado está caracterizado principalmente porque en este la depuración se realiza mediante la acción conjunta del suelo, los microorganismos y las plantas por medio de una triple acción: física (filtración), química (intercambio iónico, precipitación fenómenos de óxido-reducción) y biológica (degradación de la materia orgánica) (Merino, 2003).

Estos sistemas también son llamados “sistemas naturales” los cuales basan su tratamiento en elementos principalmente proporcionados por componentes del medio natural, en los cuales el efecto depurador se debe a la acción de la vegetación, suelo y/o de los microorganismos (terrestres y/o acuáticos). Estos sistemas se dividen en dos grandes grupos: los sistemas de tratamiento mediante la aplicación en el terreno y los sistemas acuáticos.

Con el uso de estos sistemas se logran altos niveles de remoción sin necesidad del uso de mano de obra muy especializada y requieren de muy poco mantenimiento (Crites y Tchobanoglous, 2004). Entre los sistemas de tratamiento naturales para aguas residuales se pueden resaltar los sistemas de tratamiento en el suelo, sistemas de tratamiento con lagunas y filtros intermitentes y con recirculación.

1. Marco Conceptual

1. Agua residual: es aquella que contiene material disuelto y en suspensión, luego de ser usada por una comunidad o industria, generalmente conducidas por sistemas de alcantarillado y tratadas en una planta de tratamiento de aguas para su depuración antes de su vertido (PTAR) como medio para evitar un problema de salud pública, del medio ambiente o de bienestar social (RAS, 2000).

1. Biofiltración: Degradación biológica de componentes presentes en la fase gaseosa de una corriente residual.

1. Humedales artificiales: Construcciones hechas por el hombre que buscan simular un humedal natural que permanece parcial o permanentemente inundado (Álvarez, 2002).

1. Lagunaje: Son un medio artificial en el que el agua residual a tratar pasa por un conjunto de balsas dispuestas en serie bajo condiciones anaerobias y aerobias (Álvarez, 2002).

1. Área rural: se caracterizan por la disposición dispersa de viviendas realización de actividades del campo (agricultura, ganadería, porcicultura, etc.) que no dispone, por lo general, de servicios públicos y otro tipo de facilidades propias de las áreas urbanas (DNP, 2016).

1. Microorganismo: organismo biológico o ser vivo que no puede ser visto por el ojo humano.

1. Filtración: Proceso físico de separación de dos fases (sólido y liquido) presentes en una sustancia.

1. Plantas acuáticas en el tratamiento de aguas residuales:

Los sistemas de plantas acuáticos se ubican en los estanques poco profundos como plantas acuáticas flotantes o sumergidas. Los sistemas más completamente estudiados son aquellos que usan la lenteja de agua. Estos sistemas incluyen dos tipos los cuales se basan en los tipos de plantas dominantes:

• Plantas flotantes.
• Plantas sumergidas.

1. Sistema de biofiltración sobre cama de material orgánico para el tratamiento de aguas residuales:

Este sistema para el tratamiento de efluentes líquidos industriales o domésticos es una tecnología de reciente aplicación que está adaptada a partir de los filtros percoladores, pero con la diferencia que son empacados con algún medio orgánico (trozos de madera, bambú, paja turba).

Consiste en tratamiento combinado biológico y físico a la vez en el cual, de forma general, el efluente escurre a través de una cama de material poroso orgánico de forma lenta, lo que permite la colonización del cama o empaque por microorganismos adaptados a los contaminantes presentes en el agua residual, así como la retención física de los mismos (Garzón y Zúñiga, 2002).

1. Sistemas de tratamiento por aplicación del suelo:

Estos sistemas se basan en el empleo del suelo como elemento depurador a través de infiltraciones, el agua residual percola vertical y lateralmente a través del suelo, que puede recuperar sus condiciones aerobias gracias a los procedimientos cíclicos de aplicación. La cubierta vegetal juega un importante papel en el proceso de tratamiento (ALA 2008). Este tipo de tratamiento está compuesto por tres procesos:

• Tasa baja.
• Infiltración rápida.
• Flujo superficial.

1. Filtros biológicos intermitentes y con recirculación :

Estos filtros son unidades de tratamiento físico y biológico que consisten de un lecho formado por un medio sumamente permeable en el que se adhieren desarrollan los microorganismos y a través del cual se filtra el agua residual. Entre los filtros empleados en el tratamiento de aguas residuales están los siguientes:

• Filtros percoladores convencionales de alta tasa (CritesyTchobanoglous, 2004).
• Filtros de alta tasa con medio granular y poroso, usados en la filtración de efluentes tratados (CritesyTchobanoglous, 2004).
• Filtros de tasa baja con medio granular y poroso, son los que se utilizan en el tratamiento de aguas residuales provenientes de viviendas aisladas y de pequeños sistemas descentralizados de tratamiento (CritesyTchobanoglous, 2004).

1. Biofiltros:

Estos dispositivos son utilizados para la remoción de contaminantes en el agua. Su uso contribuye a evitar la contaminación de cuerpos de agua superficiales y subterráneos, causada por verter directamente el agua residual. A nivel doméstico se utilizan comúnmente para el tratamiento de aguas residuales, particularmente de aguas grises (provenientes de la cocina, lavadero y baño). Se le conoce también como “biojardinera” o “lavadero ecológico”. Este tratamiento se lleva a cabo mediante microorganismos que degradan biológicamente los contaminantes.

1. Sistemas de tratamiento con lagunas:

Es una de las técnicas de bajo costo en el campo del tratamiento de aguas residuales a la que se le ha encontrado mayor aplicación. Estas no son más que cuerpos de agua creados artificialmente, diseñados para el tratamiento de aguas residuales mediante la acción de una masa biológica en suspensión(constituida principalmente por algas, bacterias y protozoarios), con la intervención de otros procesos y factores naturales que facilitan los procesos llevados a cabo dentro de estas.

Son el método más simple de tratamiento de aguas residuales que existe. Están constituidos por excavaciones poco profundas cercadas por taludes de tierra. Generalmente tiene forma rectangular o cuadrada (Durán y Luna, 1998).

Las lagunas  suelen clasificarse en estos 4tipos:

• Aerobias.

• Anaerobias.

• Facultativas.

• Maduración.

1. METODOLOGÍA

El método de la ingeniería como el arte es el de inventar o diseñar. Partiendo de esto, la persona dedicada al oficio de la ingeniería debe entender, planear, ejecutar y examinar. Se debe entender la necesidad del mundo y generar soluciones innovadoras, oportunas y eficientes que eleven la calidad de vida de los seres humanos y aseguren el desarrollo sostenible de un país (Koen, 1985).

1. Tipo de estudio

El documento basa su desarrollo en la investigación documental del funcionamiento de un sistema combinado para el tratamiento de aguas residuales, las prioridades de las zonas rurales en el país para tratar el agua residual, el análisis de las condiciones de un rendimiento óptimo para una posible implementación de este sistema sostenible.

1. Fuentes de información

Revisión e indagación bibliográfica detallada de manuales, artículos científicos, libros, tesis, entre otros; complementada por  información sobre las características de las regiones rurales de Colombia mediante base de datos de organismos estatales y privados.

1. Diseño metodológico

De acuerdo a lo que se quiere lograr en este estudio se propusieron tres fases que permitan identificar el sistema de tratamiento combinado como posible alternativa al tratamiento de agua residual en zonas rurales:

• Fase de consulta y documentación: Periodo en el que se adquiere la información que permita entender el procedimiento y funcionamiento del sistema como alternativa sostenible para la depuración de agua residual en áreas rurales.
• Fase de evaluación: Evaluación y diagnóstico comparativo de las condiciones del sistema tradicional y de las del sistema propuesto, que permitan estructurar las características del sistema más eficaz en el tratamiento de aguas residuales para viviendas rurales.
• Fase de proyección: Por último se desarrollará un documento detallado de los procesos de diseño e implementación del sistema que mejor se adapte a las condiciones del área rural colombiana para el tratamiento de agua residual como mecanismo sostenible.

1. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

ACTIVIDAD

MES 1

MES 2

MES 3

MES 4

MES 5

MES 6

MES 7

MES 8

MES 9

MES 10

MES 11

MES 12

Revisión bibliográfica

X

X

X

Presentación del plan de trabajo

X

X

Evaluación de las alternativas posibles para desarrollar el sistema adecuado

X

X

Elección del sistema de tratamiento adecuado

X

Formulación y diseño del sistema de tratamiento elegido

X

Entrega del documento final

X

1. RECURSOS NECESARIOS

RECURSO

DESCRIPCIÓN

PRESUPUESTO (COPs)

1. Equipo Humano

Persona con conocimientos y habilidades en el área del tratamiento de aguas residuales y de los procesos desarrollados en la ingeniería ambiental. Asesorías en conceptos técnicos e ingenieriles.

1.000.000

1. Equipos y Software

Computador portátil y software de ingeniería y diseño requerido

2.000.000

1. Viajes y Salidas de Campo

Visitas  de apreciación a sitios donde se han implementado con éxito este tipo de sistemas

200.000

1. Materiales y suministros

NA

-

1. Bibliografía

Libros y manuales de ingeniería requeridos

300.000

TOTAL                                                                                                                                 3.500.000